宏蛋白组学
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微生物解决全球性变化
microbial solutions to global change
—杨拉维
• 一 引言：了解微生物世界
• 二：1，微生物和能源 2，微生物和环境 3，微生物和疾病
了解微生物世界 Understanding the microbial world
微生物的作用： 1，微生物体是地球上生活的生物的主要组成部分，
. 近年来，人们已经意识到微生物在自然界中的重 要作用，它们是生态系统中各种元素循环不可或 缺的一环，而且它们大多具有许多独特的生物功 能，如有些微生物对各种复杂有机化合物有降解 作用、有些微生物可以在一些极端环境下生存等 等，而使微生物具有这些独特功能的是一些特殊 的酶．众所周知，大多数酶的化学本质是蛋白质， 因此对不同自然生态环境中所有的蛋白质的研究 就显得特别重要，宏蛋白质组学就是在这种背景 下诞生的．
• 微生物之间通信交流的一个重要特点就是 细胞—细胞间的通信。微生物相互之间能 够交流的一个方式就是通过群体感应 (quorum sensing)，其中微生物能够通过制 造，释放和检测信号分子，根据细胞密度 的变化来调节基因的表达
群体感应(quorum sensing)
• 细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种 生理行为.具有群体感应的细菌能产生并释放一种 被称为自体诱导物(autoinducer)的信号分子,它随 着细胞密度增加而同步增加.当自体诱导物积累到 一定浓度时会改变细菌特定基因的表达.革兰氏阳 性及阴性细菌通过群体感应与周围环境进行信息 交流,从而改变细菌的一系列生理活性,这些细菌的 生理特性包括共生、细菌毒性、竞争、接合、抗 生素的产生、运动性、孢子及生物膜的形成.这种 信号传递方式可能对低等的细胞进一步进化,并形 成高等的生物体有重要作用.细菌中群体感应系统 的进化可能是多细胞体形成的早期阶段。
• 有人认为利用转录组学很蛋白质组学，可进一步 提高生物修复中的实用效率。虽然运用设计微生 物这种想法很具有吸引力，具体的实现仍然受当 地微生物种群和其保持活性能力的相互制约。
• Lorenzo指出通过连接到（UMBBD）美国明尼苏 达大学生物催化和生物降解数据库，通过设计代 谢网络（metabolic networks）中的代谢途径，对 生物修复的成功很有必要。
微生物解决能源保证
Microbial solutions to energy security
• 根据新的能源政策法案，直到2012年，成亿加仑 的可再生燃料一定会是生物燃料通过可再生的生 物体产生的。
• 乙醇和生物柴油是两种使用最广泛的产生于可再 生资源的生物燃料，然而，由于这两种物质很低 的能量含量，这两种生物燃料都不是运输燃料的 理想替代品。近年来，人们已经开始尝试设计微 生物从可再生木质纤维生物中来生产运输燃料产 品。
• Keasling小组很好的总结了在这个领域的最新进 展，对运用微生物来生产异丁醇，异丙醇，高不 饱和脂肪酸和作为生物柴油的烷烃都进行了讨论。
• 除了传统的液体生物燃料，使用微生物生 产生物电池已经受到了相当的重视。现有 的微生物燃料电池技术的一个主要限制是 相对较低的电流密度。
• Lovely总结归纳了在这个领域的一些新兴的 技术。认为更深一步的理解电子从微生物 体向电池阳极的转移，是提高电池效率的 关键。
微生物解决环境面临的挑战
Microbial solutiBaidu Nhomakorabeans to environmental challenges
• 在过去的几十年里，大量的工业污染物被释放到 环境中。最近几年，生物修复做为一种很好的环 境清理方法得到广泛的研究。然而，这些污染物 的顽固的性质已经促使利用代谢工程或合成生物 学的方法针对目标设计微生物进行有效的清理。 Wood很好的概括了这方面的一些成果。最显著的 是利用先进的代谢工程和蛋白质工程手段作为复 杂的通路工程对有机和无机污染物进行整治。
代谢网络（metabolic networks）
• 细胞中生物分子成千 上万，但它们最终都 与几类基本代谢联系， 进入一定的代谢途径， 从而使物质代谢有条 不紊进行。不同代谢 途径通过交叉点上关 键的共同中间代谢产 物得以沟通，形成经 济有效，运转良好的 代谢网络
• 可利用环境微生物基因组技术进行土壤污染修复、 畜禽养殖除臭、鉴定新物种以及确定特定生态环 境体系中未培养微生物种群与群落的结构组成及 物种的进化模式
宏基因组学研究策略
• 从环境样品中提取并纯化微生物群体 基因组：
• 构建环境基因组文库： • 环境基因组文库的筛选分析：
宏蛋白组学(Metaproteomics):是由Paul和Philip二人 在2004年首先提出，是应用蛋白质组学技术对微生 物群落进行研究的一项新技术，其定义为在特定的时 间对微生物群落的所有蛋白质组成进行大规模鉴定
在全球性的改变方面发挥关键的作用。
2，微生物对三个主要的全球性问题，包括能源安
全，环境方面面临的挑战和传染疾病的解决方案。
微生物体已经被广泛的开发用于 医药，农业，食品和工业上
• 1，很大一部分小分子药物，如青霉素和万 古霉素都来自微生物。大多数的工业酶也 是从微生物中分离得到。
• 2，微生物作为一个全细胞式的催化剂被用 于许多重要的化学转化反应。
宏蛋白质组的研究策略
• 环境总蛋白质的提取纯化:环境总蛋白质
提取纯化一般是以经典的生物化学、细胞 生物学和分子生物学技术为基础,包括细胞 的破碎和总蛋白的沉淀。
• 环境总蛋白质分离：蛋白质分离一般采
取凝胶的(如2D电泳)或非凝胶的(如液相色 谱)方法。
• 环境总蛋白质鉴定及数据处理：以生物
信息学为基础，获取和分析全面的蛋白质 系统发育起源和功能信息
• 3，微生物被设计用来生产重组蛋白和药物， 生物燃料，氨基酸等化学品
一些新的能够快速检测和鉴定新的 微生物的方法
• 宏基因组学（metagenomics）：又叫微生物环境 基因组学，元基因组学。自然界约99%的微生物 不能通过传统的分离筛选途径进行培养（即未培 养微生物）,为获得新的基因资源,更全面地认识微 生物多样性和微生物在自然环境和生物圈中的重 要作用，近年来随着分子生物学的快速发展及其 在微生物研究中的广泛运用,以环境中未培养微生 物为研究对象的新兴学科
microbial solutions to global change
—杨拉维
• 一 引言：了解微生物世界
• 二：1，微生物和能源 2，微生物和环境 3，微生物和疾病
了解微生物世界 Understanding the microbial world
微生物的作用： 1，微生物体是地球上生活的生物的主要组成部分，
. 近年来，人们已经意识到微生物在自然界中的重 要作用，它们是生态系统中各种元素循环不可或 缺的一环，而且它们大多具有许多独特的生物功 能，如有些微生物对各种复杂有机化合物有降解 作用、有些微生物可以在一些极端环境下生存等 等，而使微生物具有这些独特功能的是一些特殊 的酶．众所周知，大多数酶的化学本质是蛋白质， 因此对不同自然生态环境中所有的蛋白质的研究 就显得特别重要，宏蛋白质组学就是在这种背景 下诞生的．
• 微生物之间通信交流的一个重要特点就是 细胞—细胞间的通信。微生物相互之间能 够交流的一个方式就是通过群体感应 (quorum sensing)，其中微生物能够通过制 造，释放和检测信号分子，根据细胞密度 的变化来调节基因的表达
群体感应(quorum sensing)
• 细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种 生理行为.具有群体感应的细菌能产生并释放一种 被称为自体诱导物(autoinducer)的信号分子,它随 着细胞密度增加而同步增加.当自体诱导物积累到 一定浓度时会改变细菌特定基因的表达.革兰氏阳 性及阴性细菌通过群体感应与周围环境进行信息 交流,从而改变细菌的一系列生理活性,这些细菌的 生理特性包括共生、细菌毒性、竞争、接合、抗 生素的产生、运动性、孢子及生物膜的形成.这种 信号传递方式可能对低等的细胞进一步进化,并形 成高等的生物体有重要作用.细菌中群体感应系统 的进化可能是多细胞体形成的早期阶段。
• 有人认为利用转录组学很蛋白质组学，可进一步 提高生物修复中的实用效率。虽然运用设计微生 物这种想法很具有吸引力，具体的实现仍然受当 地微生物种群和其保持活性能力的相互制约。
• Lorenzo指出通过连接到（UMBBD）美国明尼苏 达大学生物催化和生物降解数据库，通过设计代 谢网络（metabolic networks）中的代谢途径，对 生物修复的成功很有必要。
微生物解决能源保证
Microbial solutions to energy security
• 根据新的能源政策法案，直到2012年，成亿加仑 的可再生燃料一定会是生物燃料通过可再生的生 物体产生的。
• 乙醇和生物柴油是两种使用最广泛的产生于可再 生资源的生物燃料，然而，由于这两种物质很低 的能量含量，这两种生物燃料都不是运输燃料的 理想替代品。近年来，人们已经开始尝试设计微 生物从可再生木质纤维生物中来生产运输燃料产 品。
• Keasling小组很好的总结了在这个领域的最新进 展，对运用微生物来生产异丁醇，异丙醇，高不 饱和脂肪酸和作为生物柴油的烷烃都进行了讨论。
• 除了传统的液体生物燃料，使用微生物生 产生物电池已经受到了相当的重视。现有 的微生物燃料电池技术的一个主要限制是 相对较低的电流密度。
• Lovely总结归纳了在这个领域的一些新兴的 技术。认为更深一步的理解电子从微生物 体向电池阳极的转移，是提高电池效率的 关键。
微生物解决环境面临的挑战
Microbial solutiBaidu Nhomakorabeans to environmental challenges
• 在过去的几十年里，大量的工业污染物被释放到 环境中。最近几年，生物修复做为一种很好的环 境清理方法得到广泛的研究。然而，这些污染物 的顽固的性质已经促使利用代谢工程或合成生物 学的方法针对目标设计微生物进行有效的清理。 Wood很好的概括了这方面的一些成果。最显著的 是利用先进的代谢工程和蛋白质工程手段作为复 杂的通路工程对有机和无机污染物进行整治。
代谢网络（metabolic networks）
• 细胞中生物分子成千 上万，但它们最终都 与几类基本代谢联系， 进入一定的代谢途径， 从而使物质代谢有条 不紊进行。不同代谢 途径通过交叉点上关 键的共同中间代谢产 物得以沟通，形成经 济有效，运转良好的 代谢网络
• 可利用环境微生物基因组技术进行土壤污染修复、 畜禽养殖除臭、鉴定新物种以及确定特定生态环 境体系中未培养微生物种群与群落的结构组成及 物种的进化模式
宏基因组学研究策略
• 从环境样品中提取并纯化微生物群体 基因组：
• 构建环境基因组文库： • 环境基因组文库的筛选分析：
宏蛋白组学(Metaproteomics):是由Paul和Philip二人 在2004年首先提出，是应用蛋白质组学技术对微生 物群落进行研究的一项新技术，其定义为在特定的时 间对微生物群落的所有蛋白质组成进行大规模鉴定
在全球性的改变方面发挥关键的作用。
2，微生物对三个主要的全球性问题，包括能源安
全，环境方面面临的挑战和传染疾病的解决方案。
微生物体已经被广泛的开发用于 医药，农业，食品和工业上
• 1，很大一部分小分子药物，如青霉素和万 古霉素都来自微生物。大多数的工业酶也 是从微生物中分离得到。
• 2，微生物作为一个全细胞式的催化剂被用 于许多重要的化学转化反应。
宏蛋白质组的研究策略
• 环境总蛋白质的提取纯化:环境总蛋白质
提取纯化一般是以经典的生物化学、细胞 生物学和分子生物学技术为基础,包括细胞 的破碎和总蛋白的沉淀。
• 环境总蛋白质分离：蛋白质分离一般采
取凝胶的(如2D电泳)或非凝胶的(如液相色 谱)方法。
• 环境总蛋白质鉴定及数据处理：以生物
信息学为基础，获取和分析全面的蛋白质 系统发育起源和功能信息
• 3，微生物被设计用来生产重组蛋白和药物， 生物燃料，氨基酸等化学品
一些新的能够快速检测和鉴定新的 微生物的方法
• 宏基因组学（metagenomics）：又叫微生物环境 基因组学，元基因组学。自然界约99%的微生物 不能通过传统的分离筛选途径进行培养（即未培 养微生物）,为获得新的基因资源,更全面地认识微 生物多样性和微生物在自然环境和生物圈中的重 要作用，近年来随着分子生物学的快速发展及其 在微生物研究中的广泛运用,以环境中未培养微生 物为研究对象的新兴学科